第4章 光速迷局

4.1 光的本质

       视觉是人类最重要的感知能力，据统计人类80%以上的信息来源于视觉，因此光是人类感知外部世界的重要媒介。而关于光的论战也由来已久：早在古希腊时期，某些学者就曾经认为，光是人的眼睛内伸出的无比纤细的触须，当用触须触摸物体时，人类就会感受到物体的形状。而另外一些学者则认为，光是沿直线传播的高速粒子流，当光粒子射入眼睛以后，人类就产生视觉。正是在这一观点的基础上，牛顿建立了以粒子论为核心的光学体系。而荷兰人惠更斯则认为：光和声音一样，只是一种波动现象。自此，光的波动说和粒子说两种理论，就成为了科学家们争论不休的话题。那么，粒子和波有什么区别呢？

       首先，粒子和波的本质不同：粒子是一种物质，是一种实际的存在；而波动只是一种运动形式，一种表观的物理现象。当然，这两种学说都存在一定的问题：如果光是一种粒子，它就应该有质量，哪怕这种质量极其微小，然而事实证明，光子没有静质量；反过来说，如果光是一种波动现象，它就应该在某种介质中传播，然而，光却可以不需要任何介质在真空中传播。

       其次，粒子和波的运动形式不同：虽然总体而言波和粒子都可以沿直线传播，但是如果两束波或者两束粒子流相互撞击，结果就大为不同了。当两束粒子流相撞时，粒子之间一定会相互碰撞，相互干扰，发生散射。然而，两束波相撞以后却可以相安无事的通过；同时，两束方向基本相同的波相遇以后，波和波之间还会产生干涉现象，而在19世纪以前，从来没有人在光线的传播过程中发现过如同粒子流相撞的散射现象，也没有人发现过与波动类似的干涉现象。

       最后，粒子和波的速度形式不同：在不受外力的条件下，粒子离开发射源的速度不变，而波则是离开介质的速度不变。接下来，我们就以手枪为例，解释一下两种速度的区别：如图4-1所示：当我们扣动手枪的扳机以后，子弹就会从枪口射出。如果不计重力和空气阻力，则子弹离开枪口的速度永远不变；而枪声离开空气的速度永远不变。

       假设我们从行驶的列车上发射子弹，按照伽利略变换：由于子弹相对于枪口速度不变，而枪口在随着列车前进，所以子弹相对于地面的速度就会和列车的行进速度相叠加。但枪声相对于空气的速度不变，由于空气相对于地面静止，所以枪声相对于地面速度却可以保持不变；相反，如果我们在大风天气里，站在静止的地面发射子弹，按照伽利略变换，枪声的速度必须和风速相叠加，但子弹离开地面的速度却可以不变。由于粒子和波动存在这种速度叠加形式上的重大差别，因此，我们也可以通过速度叠加原理来检测光是一种微粒还是一种波。

       为了判别光究竟是一种波动现象还是实体微粒，1801年，托马斯·杨进行了经典的双缝干涉实验。如图4-2所示：用一条极窄的光带作为光源，让光通过两条窄缝以后呈现在屏幕上，仔细调整位置以后，屏幕上果然出现了明暗相间的干涉条纹。

       不久，菲涅尔又发现了光的衍射现象，如果让一束光打在一个小小的不透明的圆盘上，当圆盘的阴影呈现在后方的屏幕上时，圆盘阴影的边缘部分同样呈现出明暗相间的衍射条纹。更为惊人的是：如果我们尝试用一个小圆盘来阻挡光线的前进，光线却可以绕过圆盘，在圆盘的后方呈现出一个小亮斑。由于这一现象首先是由数学家泊松首先预言的，因此被称作“泊松亮斑”。干涉和衍射现象的出现，使得光的波动学说逐渐成为了主流。

       当确认了光是一种波动现象以后，科学家们立即开始寻找引发这种波动的介质。当时科学家们普遍认为：看似空无一物的宇宙空间中应该充满了某种叫做“以太”的物质。但“以太”的物理性质却让人捉摸不透：首先，日月星辰都在宇宙空间中畅通无阻的运行，由于“以太”的存在不会阻碍星体的运行，所以以太的质量必须为0。其次，“以太”又是光传播的介质，由于光波的频率非常高，所以“以太”又必须具有非常强的刚性。根据我们的经验，怎么会有一种物质即轻又硬呢？现在，这两种观点已经矛盾重重了。那么，光速在“以太”中的传播是否符合波速叠加原理呢？测量光速的大赛开始了……